“臺階法”在原位擴建隧道開挖中的應(yīng)用

孫浩

摘 要：由于隧道原位擴建是在大臨空面上進(jìn)行施工，圍巖的穩(wěn)定性成為考慮的關(guān)鍵。而開挖方案的選擇又是帶全局性的問題，關(guān)系到整個工程的施工進(jìn)度、質(zhì)量和成本。本工法為后祠隧道右線“二擴四”在對既有洞進(jìn)行預(yù)加固的基礎(chǔ)上的洞身開挖工法。在保證隧道施工安全同時，減少了成本投入，滿足了工期要求。

關(guān)鍵詞：擴建隧道;臺階法;大斷面

中圖分類號：U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0125-02

0 前言

近年來公路交通運輸量大幅度增加，越來越多的高速公路已不能滿足交通運輸量發(fā)展的需求，因而高速公路擴建迫在眉睫。大斷面隧道將作為特殊地形條件下解決高等級公路布線有效且經(jīng)濟的一種結(jié)構(gòu)形式，它對提高交通運輸效率、保護(hù)與利用自然環(huán)境、加快經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展等均有重大的現(xiàn)實意義，將得到越來越廣泛的應(yīng)用，但大斷面隧道的出現(xiàn)，為工程界提出了新的課題，由于隧道的斷面面積、跨度、斷面形狀扁率均較大，目前尚缺乏足夠的理論知識和工程經(jīng)驗。大斷面原位擴建隧道一般均采用CRD交叉中隔壁方法開挖，但該開挖方法施工工序復(fù)雜，且臨時仰拱、中隔墻拆除風(fēng)險高，施工進(jìn)度緩慢。因此，如何在確保安全前提下，對大斷面隧道原位擴建施工方法進(jìn)一步的研究和優(yōu)化，以提高施工方法的效率和可靠性，加快施工進(jìn)度就顯得尤為重要。

1 工程概況

漳龍高速公路后祠隧道位于龍巖適中鎮(zhèn)上鄭村與新祠村之間，為雙洞四車道普通分離式隧道，于2001年完工并投入運營，全長990m，隧道跨度為12m。隧道洞身以中-微風(fēng)化花崗巖為主，為較堅硬巖，總體圍巖以Ⅳ級圍巖為主。由于受到高速公路擴建的需要，該隧道擴建為三洞九車道隧道，其中右線隧道由二車道原位擴建為四車道。右線老洞凈空9.25×5.0m（寬×高），右線擴建隧道凈空17.75×5.0m（寬×高）。擴建隧道全長992m。隧道最大埋深約143m。

老隧道從建成至今已有17年之久，由于材料老化及當(dāng)時設(shè)計施工技術(shù)水平等原因，表面主要存在襯砌外觀差、裂縫、錯臺、滲漏等問題，內(nèi)部通過檢測發(fā)現(xiàn)隧道拱頂及兩側(cè)襯砌及初期支護(hù)背后脫空部位較多，同時初期支護(hù)脫空后導(dǎo)致背后圍巖出現(xiàn)不同程度松動，在隧道開挖后極易發(fā)生拱頂坍塌。

2 臺階法施工順序及操作要點

本次采用的臺階法是在對原隧道存在的空洞探明、原施工過程中塌方處理資料的熟悉，同時在預(yù)加固的的基礎(chǔ)上，在保證隧道安全、質(zhì)量的前提下，以監(jiān)控量測數(shù)據(jù)為依據(jù)而采用的施工工法。采用此工法能滿足結(jié)構(gòu)安全要求，能有效控制隧道兩側(cè)收斂，同時便于大型設(shè)備施工，以提高工作效率。具體步驟如下：（1）既有隧道先回填片石至拱腰，開始施作超前支護(hù)，為上臺階開挖做好準(zhǔn)備。如圖1所示。（2）施工完超前支護(hù)后，開始開挖上臺階，高度5.5～7m，并完成初期支護(hù)。如圖2所示。（3）上臺階開挖10～15m左右開始開挖左側(cè)中臺階，完成其初期支護(hù)施工。高度為2.5～3m，寬度約4m（主要考慮最大限度保留核心土，同時只用少量機械配合就可以安裝拱架），如圖3所示。（4）左側(cè)中臺階開挖5m左右開始開挖左側(cè)下臺階，高度2.5～3m，寬度約4m，并完成其初期支護(hù)施工。如圖4所示。（5）左側(cè)下臺階開挖5m左右開始開挖右側(cè)中臺階，高度2.5～3m，寬度約4m，并完成其初期支護(hù)施工。如圖5所示。（6）右側(cè)中臺階開挖5m左右開始開挖右側(cè)下臺階，高度2.5～3m，寬度約4m，并完成其初期支護(hù)施工。如圖6所示。（7）右側(cè)下臺階開挖5m左右后開始開挖核心土及仰拱，仰拱開挖一次控制在3m以內(nèi)，開挖后立即完成仰拱初期支護(hù)。如圖7所示。（8）仰拱初期支護(hù)完成后，及時澆筑二次襯砌和仰拱回填。如圖8所示。（9）等仰拱澆筑夠兩模二襯時，開始澆筑洞身二次襯砌，一次襯砌長度控制在10米以內(nèi)。

3 臺階法的數(shù)值仿真分析結(jié)果

為了保證大斷面擴建隧道采用臺階法開挖理論上的可行性，在確立開挖方案前對每個開挖步驟都進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，分析后得出以下幾點結(jié)論和建議：（1）通過理論分析和數(shù)值模擬的方法，確定了在大斷面原位擴建開挖采用臺階法擴挖是可行的。（2）原位擴建隧道施工時，先進(jìn)行起拱線以上的擴挖，保留原路面及原仰拱部分不進(jìn)行擴挖有利于圍巖的穩(wěn)定，對隧道安全施工起到了積極的作用。（3）隧道擴挖施工過程中，隧道左右兩側(cè)應(yīng)力和變形具有不對稱性，且在隧道拱腳、老隧道右邊墻及拱頂明顯應(yīng)力集中，且在拱頂部位亦出現(xiàn)受拉區(qū)，因此這些部位施工是控制重點，在施工的過程中要及時支護(hù)并加強支護(hù)參數(shù)。（4）大斷面隧道原位擴建施工是在圍巖已受擾動情況下進(jìn)行的，所以有必要施加超前預(yù)支護(hù)措施。

4 其他注意事項

4.1 老隧道地質(zhì)、施工情況的了解分析

在施工前，首先對老隧道進(jìn)行雷達(dá)地質(zhì)探測，對老隧道周邊圍巖空洞進(jìn)行探明。其次對老隧道的竣工資料進(jìn)行認(rèn)真研究，對原施工過程的圍巖變更、塌方段落以及塌方處理方式要分析透徹。最后在老隧道二襯表面進(jìn)行徑向鉆探，每5米一個斷面，一個斷面3個孔，孔深在5米左右，針對雷達(dá)探明和資料記載的空洞塌方段探孔可適當(dāng)加密。

4.2 對老隧道圍巖加固

通過鉆探和資料相結(jié)合，對一些較大空腔（空腔在1-5米），利用徑向探孔埋設(shè)泵送管，對空腔泵送C15砼，填滿為準(zhǔn)。對于一些超大空腔（5米以上的），應(yīng)先與設(shè)計溝通，提前做好準(zhǔn)備，以免延誤工期。

4.3 開挖時注意事項

上臺階開挖時，考慮拱頂位移較大，一般增加或加長鎖腳錨桿或錨管（錨桿一側(cè)為4-6根，長度5m），同時在拱頂兩側(cè)提前施作徑向系統(tǒng)錨桿，錨桿與鋼拱架牢固焊接。左右側(cè)下臺階初期支護(hù)施工完后，如仰拱不能及時跟進(jìn)，應(yīng)采用洞碴及時回填。

5 臺階法與傳統(tǒng)CRD法比較存在的優(yōu)勢

安全風(fēng)險比較：CRD開挖方法，對于土質(zhì)軟巖隧道更為適合，能有效控制軟弱圍巖下沉量及收斂，但對需爆破的石質(zhì)隧道來說，爆破對臨時支撐極易造成破壞，導(dǎo)致臨時支撐需來回加固，費時費力。采用臺階法開挖，無臨時支護(hù)，避免拆除臨時支護(hù)的風(fēng)險，同時縮短了初期支護(hù)整體閉合成環(huán)的時間，對控制隧道圍巖收斂較為有利。

施工進(jìn)度比較：以背景后祠隧道為例，隧道長共992m（其中IV、V級圍巖973m，明洞19m），采用CRD法施工，雙頭掘進(jìn)需要19.5個月（按單頭掘進(jìn)25米/月）。采用臺階法施工，可以保證單頭掘進(jìn)在50米/月，雙頭掘進(jìn)隧道10個月就能實現(xiàn)貫通（最終后祠隧貫通用了11.5個月，因前期洞口采用了CRD法施工）。

經(jīng)濟性比較：CRD法由于臨時橫撐導(dǎo)致上臺階支護(hù)材料均需要人工搬運，同時出渣需要小型機具倒運至下臺階再往外裝運，同時不能使用大型設(shè)備，施工效率低，工期長，費用高。臺階法就可以避免這種情況，同時縮短了工期，大大節(jié)約了成本，增加了收益。

隧道圍巖揭示比較：對于大斷面的隧道來說，同一斷面左右側(cè)圍巖差別較大。采用CRD法只能先揭示先施工的單側(cè)圍巖，無法揭示同一斷面左右側(cè)的圍巖，這樣如果后開挖的一側(cè)圍巖變差，需加強支護(hù)形式，容易造成支護(hù)形式不統(tǒng)一。臺階法就避免了這一問題。

6 結(jié)語

綜上所述，根據(jù)本項目工程量大、工期緊、標(biāo)準(zhǔn)高的特點，項目摒棄不適應(yīng)高標(biāo)準(zhǔn)要求的習(xí)慣作法，敢于技術(shù)創(chuàng)新和工藝改進(jìn)，以提高施工技術(shù)水平和工藝確保工程質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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